CFD study of an innovative two-stroke engine for motorcycle applications

Two-stroke engines have historically been appreciated for their high power-to-weight ratio and mechanical simplicity, but their development has been limited in recent decades due to fuel consumption and exhaust emission issues. In the context of increasingly stringent environmental regulations, renewed interest has emerged in innovative two-stroke concepts capable of combining compactness and performance with improved efficiency and reduced emissions. This thesis presents a Computational Fluid Dynamics (CFD) study of an innovative single-cylinder two-stroke engine designed for motorcycle hybrid applications. The proposed engine architecture aims to preserve the intrinsic advantages of two-stroke engines while achieving emission levels comparable to those of modern four-stroke engines. The engine features loop scavenging, external supercharging through a screw compressor, transfer port fuel injection, and an exhaust system equipped with both a power valve and a rotary valve to control gas exchange and limit short-circuiting. A preliminary review of the state of the art is carried out, including a comparison between two-stroke and four-stroke engines in terms of brake specific fuel consumption. The core of the work focuses on CFD analyses performed using OpenFOAM, investigating the internal flow field during scavenging. The Jante test and steady-state flow simulations are employed to evaluate scavenging efficiency, flow structures, and short-circuit phenomena. Different rotary valve configurations are analyzed to assess their influence on the in-cylinder flow behavior. The results highlight the capability of the proposed layout to promote effective loop scavenging while limiting fresh charge losses toward the exhaust. Although the study is conducted without combustion modeling, the findings provide valuable insights into the fluid-dynamic behavior of the engine and represent a solid basis for future developments, including combustion simulations and performance optimization.

I motori a due tempi sono stati storicamente apprezzati per l’elevato rapporto potenza/peso e per la loro semplicità meccanica, ma il loro sviluppo è stato fortemente limitato negli ultimi decenni a causa dei problemi legati ai consumi di carburante e alle emissioni allo scarico. Nel contesto di normative ambientali sempre più stringenti, è emerso un rinnovato interesse verso soluzioni innovative in grado di coniugare la compattezza e le prestazioni tipiche dei due tempi con una maggiore efficienza e una riduzione delle emissioni. Questa tesi presenta uno studio CFD (Computational Fluid Dynamics) di un innovativo motore monocilindrico a due tempi progettato per applicazioni motociclistiche e ibride. L’architettura proposta mira a preservare i vantaggi intrinseci dei motori a due tempi, raggiungendo al contempo livelli emissivi paragonabili a quelli dei moderni motori a quattro tempi. Il motore è caratterizzato da un sistema di lavaggio a loop, da una sovralimentazione esterna mediante compressore a vite, da un’iniezione nel travaso e da un sistema di scarico dotato di power valve e valvola rotante, finalizzati al controllo dello scambio dei gas e alla riduzione dei fenomeni di corto-circuito. Dopo una revisione dello stato dell’arte, che include un confronto tra motori a due e quattro tempi in termini di consumo specifico di carburante, il lavoro si concentra su analisi CFD condotte tramite OpenFOAM per lo studio del campo di moto interno durante il lavaggio. Il test di Jante e simulazioni a flusso stazionario sono utilizzati per valutare l’efficienza di lavaggio, le strutture di flusso e i fenomeni di corto-circuito. Diverse configurazioni della valvola rotante vengono analizzate per valutarne l’influenza sul comportamento fluidodinamico all’interno del cilindro. I risultati mostrano come la configurazione proposta favorisca un efficace lavaggio a loop, limitando le perdite di carica fresca verso lo scarico. Sebbene lo studio non includa la modellazione della combustione, le analisi forniscono indicazioni rilevanti sul comportamento fluidodinamico del motore e rappresentano una solida base per sviluppi futuri, quali simulazioni di combustione e ottimizzazione delle prestazioni.